Nano Energy：优化自氧化过程FeNiS2NS/rGO纳米杂化超高电催化产氧

【引言】

迄今为止，研究人员已经做出了巨大的努力来开发地球上丰富的而且高功率的OER催化剂，对于很多能量转换技术来说这是一个重要的半电池反应, 包括光水解，水电解以及金属空气电池。非贵金属催化剂在OER中设计的难点在于缓慢的4电子和质子传输的动力学过程。早期的研究表明，镍氢电极中的铁杂质会对镍基电极产生不利影响，从而大大降低其过电位。这一发现启发了许多研究人员，进而研究人员探索了该机制，优化了铁含量，并合成了各种不同的混合化合物，以获得更好的电催化剂。特别是基于具有独特的化学结构和物理形态FeNi基氧化物和氢氧化物，因为它们具有出色的OER活性而作为潜在的催化剂被广泛地研究。然而，低导电性是这些电催化剂的主要缺点。为了解决这一问题，研究人员致力于用改进FeNi氧化物和氢氧化物电催化剂的导电性能，如维数调节、表面原子吸收、与导电矩阵的杂化等。作者近期工作中指出三元镍铁硫化物纳米片(FeNiS₂NS)催化剂，在硫原子和独特的二维结构的帮助下提升了电导率，提供了一个具有出色性能的OER催化剂候选材料。

【成果简介】

近日，来自中科大的俞汉青教授等人在Nano Energy上发文，题为：“Ultrahigh Electrocatalytic Oxygen Evolution by Iron-Nickel Sulfide Nanosheets/ Reduced Graphene Oxide Nanohybrids with an Optimized Autoxidation Process”。研究人员采用一种新的策略，通过一步胶体法设计三维(三维)铁镍硫化物纳米片/还原氧化石墨烯(FeNiS₂NS/rGO)的纳米杂化，来减轻氧化过程对OER的负面影响，从而使其在rGO上有良好的分散性和强耦合性。这种相互关联的3D结构可以形成极佳的电子传输，提供大量的活动位点，并阻止活性成分的分解。The FeNiS₂NS/rGO在1M KOH溶液中具有200mV的过电位。而且在空气条件下，在长期的连续电解和长期老化的情况下，它们可以一直保持稳定。

【图文导读】

图1. OER测试后FeNiS₂NS结构表征

(a) TEM图；

(b) HRTEM图和相应的SAED图；

(c) EDX图和相应的成分；

(d)相应元素图谱Fe(紫色), Ni (黄色), S (光色)，O (绿色)；

图2. FeNiS₂NS/rGO结构表征

(a-c) SEM和TEM图；

(d) HRTEM，插图为相应的高分辨TEM图；

(e) EDX图谱；

(f-j) HAADF图和相应的元素图Fe (purple), Ni(绿色), S (黄色), C (蓝绿色) 以及产品中所有元素的混合和匹配；

图 3. 结构和热重分析

(a-b) FeNiS₂NS/rGO and FeNiS₂NS的XRD和拉曼图谱；

(c-d) TGA曲线and FeNiS₂NS/rGO的氮的吸附等温线与对应的孔隙大小分布曲线；

图4. 性能测试

(a-b)在0.1M KOH溶液中FeNiS₂NS/rGO, FeNiS₂NS+rGO, RuO₂，FeNiS₂NS的LSV曲线以及相应的塔菲尔斜率曲线；

(c-d)在1M KOH溶液中FeNiS₂NS/rGO, FeNiS₂NS+rGO, RuO₂，FeNiS₂NS的LSV曲线以及相应的塔菲尔斜率曲线；

(e) 不同电催化剂在0.1 M和1.0 M KOH达到10 mA cm⁻²电流密度所需的电势；

(f) 阻抗图[0.6 V (vs. Ag/AgCl) in 0.1 M KOH]；

图5. 性能测试

(a)在1M KOH溶液中，FeNiS₂NS/rGO在循环前后（5000次）的LSV曲线；

(b)在1M KOH溶液中，FeNiS₂NS/rGO循环5000后的TEM图；

(c-f) 在1M KOH溶液中，FeNiS₂NS/rGO稳定性测试前后的XPS表征；

【总结】

FeNiS₂NS在OER测试后的表征表明结构的无定型化，氧化物的形成和活性成分的溶解是因为在OER过程中催化剂的氧化作用。 为解决这个问题，研究人员通过一步胶体法设计三维(三维)铁镍硫化物纳米片/还原氧化石墨烯(FeNiS₂NS/rGO)的纳米杂化。这样的电催化剂可以提供更多的活性位点，防止活性成分的溶解，而且保留非晶结构的优点和提高导电性能。消除了催化剂在OER过程中的负面影响，在碱性条件下，产生了超高的OER活性和极好的稳定性。

文献链接：Ultrahigh Electrocatalytic Oxygen Evolution by Iron-Nickel Sulfide Nanosheets/ Reduced Graphene Oxide Nanohybrids with an Optimized Autoxidation Process(Nano Energy. 2017., DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.11.049)

本文由材料人欧洲杯线上买球 学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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